CN102358612A

CN102358612A - 硅基共平面微型气体传感器芯片及制备微型气体传感器

Info

Publication number: CN102358612A
Application number: CN2011102416253A
Authority: CN
Inventors: 张彤; 马晓康; 费腾; 王丽杰; 王蕊; 贺媛
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2011-08-23
Filing date: 2011-08-23
Publication date: 2012-02-22

Abstract

本发明属于微纳电子器件技术领域，具体涉及一种建立在硅基底上、加热电极和信号电极共居于同一介质平面上的硅基共平面低功耗微型气体传感器芯片及用于制备微型气体传感器，该结构传感器可实现在较低温度下工作。本发明所述的微型气体传感器芯片是利用常规热氧化法在<100>晶向的Si基片上制做SiO₂绝缘层；采用半导体平面工艺，在绝缘层SiO₂上依次溅射Ti粘附层和Pt电极层(加热电极和信号电极)；然后经过光刻、划片，得到共平面型微气体传感器的芯片。本发明制备的气体传感器芯片功耗低，远远优越于悬臂梁型微传感器。本发明工艺简单，成本低廉，功耗较小，易于集成。

Description

硅基共平面微型气体传感器芯片及制备微型气体传感器

技术领域

本发明属于微纳电子器件技术领域，具体涉及一种建立在硅基底上、加热电极和信号电极共居于同一介质平面上的硅基共平面低功耗微型气体传感器芯片及用于制备微型气体传感器，该结构传感器可实现在较低温度下工作。

背景技术

微传感器作为微电子机械系统(MEMS)的一个重要功能组件，具有微型化、功耗低、成本廉、易集成的特点。目前实用化的微气体传感器多采用悬臂梁结构，该结构在一定程度上阻断了芯片中心部分与衬底周边的热传导，起到了降低传感器功耗的作用。

悬臂梁传感器采用微加工技术或表面牺牲层技术获得，由于其芯片尺寸小、功耗低、易于集成而受到青睐。悬臂梁型气体传感器制备过程简述如下：在硅片上依次淀积多晶硅牺牲层和SiO₂-Si₃N₄-SiO₂介质层；在介质层上制作金属电阻；淀积钝化层后，开孔去掉牺牲层得到悬空微热板结构，以降低热量的传导，因此，由悬臂所支撑起的微热板功耗较低且温度分布均匀。但由于悬臂梁结构传感芯片包含微悬臂、微桥、微热板等结构，小尺寸的微悬臂机械强度也大大降低，力学性能较差，基于这种结构的微气体传感器存在工艺复杂、可靠性差、成品率低等缺点。

本发明提出一种简单易行的共平面型微气体传感器结构，将克服上述问题，它是将微热板和信号电极安置在硅基表面的的同一个介质平面上，克服悬臂梁结构的力学不稳定性，简化工艺，提高成品率。

发明内容

本发明的目的在于克服悬臂梁型微气体传感器可靠性差的缺点，提供一种由传统半导体加工工艺制备的硅基共平面型微传感器芯片，在新型传感器设计和微传感器应用领域具有十分重要的价值和现实意义。

本发明所述的硅基共平面微型气体传感器芯片，由如下步骤制备：

(1)选用<100>晶向Si片，减薄处理至厚度为300～600μm，然后将减薄处理后的Si片的一个侧面采用混合氧化法氧化处理得到300～450nm厚的SiO₂绝缘层；

(2)采用半导体平面加工工艺，在SiO₂绝缘层上溅射30～60nm厚的Ti粘附层；

(3)在Ti粘附层上旋涂光刻胶，通过掩膜、紫外线曝光、显影后制备得到与需要制备的加热电极和信号电极结构互补的光刻胶图形；

(4)在光刻胶图形上溅射200～300nm厚的Pt电极层；

(5)剥离光刻胶及其上面的Pt电极层；

(6)进行酸法腐蚀，从而得到彼此绝缘的、包含Ti粘附层和Pt电极层、具有管脚的蛇形加热电极和叉指状信号电极，其中加热电极由管脚101、管脚103和连接两个管脚的蛇形电阻103组成，叉指状信号电极由管脚11和与其连接的叉指状电极12、管脚13和与其连接的叉指状电极14组成；两个叉指状信号电极构成叉指状信号电极对；

(7)划片切割，即制备得到硅基共平面微型气体传感器芯片。

本发明所述的硅基共平面微型气体传感器芯片可用于制备微型气体传感器，其备过程如下：

(1)利用金丝球焊机将Pt丝焊在各个电极的管脚上；

(2)取敏感材料(In₂O₃、SnO₂、ZrO₂、TiO₂、Fe₂O₃等)加入去离子水研磨均匀后，涂敷在传感器芯片上，自然风干，敏感材料层厚10～100μm；

(3)将传感器芯片放入马弗炉中高温烧结2～4小时后取出；

(4)将传感器芯片的加热电极的两管脚101、103间加1～10V电压，信号电极的两个管脚11、13间通入20～100mA电流，老化12～24小时，即可制备得到微型气体传感器。

本发明的优点是制备步骤简单，制作成本低，可靠性高。利用共平面型微传感器制成的气体传感器，在工作电压为5V工作电流为53mA时，表面工作温度可达320℃，温度分布均匀，功耗低，可满足实际应用的需求。

本发明中硅基共平面微型气体传感器的性能较悬臂梁式结构的优点在于，悬臂梁型传感器由于微悬臂、微桥等结构，机械强度差导致器件的可靠性降低，同时制作这些微小结构使得工艺复杂度增大，成品率低，成本较高。在机械强度允许的范围内减薄Si片，所制得的共平面型传感器兼顾了器件的可靠性和功耗两方面，其简单的制作工艺也使得器件成本大大降低。共平面型传感器功耗小，表面温度分布均匀性好，使得所制作的微气体传感器性能得以充分发挥。

附图说明

图1：硅基共平面微型气体传感器芯片表面电极布线示意图；

图2：硅基共平面微型气体传感器芯片结构示意图；

图3：制备硅基共平面微型气体传感器芯片的工艺流程图；

图4：硅基共平面型微传感器芯片表面温度分布云图；

图5：硅基共平面型微传感器芯片表面温度～功耗关系曲线；

图6：实施例1制备的In₂O₃酒精传感器的最佳工作温度曲线；

图7：实施例1制备的In₂O₃酒精传感器的响应恢复曲线。

如图1所示，管脚101、管脚103和蛇形加热电阻102组成加热电极，管脚11与叉指状电极14及管脚12与叉指状电极13分别组成信号电极，构成信号电极对，如图中所注，电极条宽与电极条间的间距均为20μm，加热电极的两个管脚的尺寸为260×340μm²，信号电极的两个管脚的尺寸为300×300μm²，整个芯片尺寸为1×1×0.3mm³。

如图2所示，21为<110>晶向Si片，22为SiO₂绝缘层，23为Ti粘附层，24为Pt电极层。

如图3所示，25为光刻胶，26为掩膜板，27为紫外光。

如图4所示，共平面型传感器的温度分布云图，150mW的功耗时，该芯片表面温度约为320℃，且温度分布均匀。

如图5所示，共平面型传感器表面温度与加热端功耗的关系曲线，传感器的表面温度与加热端功耗呈线性关系；

如图6所示，当加热电极两管脚间工作电压为1.1V，工作电流为70mA时，In₂O₃酒精传感器灵敏度达到峰值，此时传感器表面温度达到120℃，即120℃为该传感器的最佳工作温度，此时传感器功耗仅为77mW。此时信号电极两管脚间电压为6V，电流为2.5mA。

如图7所示，利用RQ-2测试仪测得，120℃下In₂O₃酒精传感器对浓度为500ppm的酒精气体响应时间为5s，恢复时间为15s。在连续的四个反应周期里，该传感器具有良好的可逆性和重复性。

具体实施方式

实施例1：

1、选用<100>晶向Si片，在满足划片机械强度要求情况下减到越薄越好，在本例中对其进行减薄处理至300μm；在减薄后的Si片一个侧面上采用混合氧化法制备300nm厚SiO₂绝缘层；采用半导体加工工艺，在SiO₂绝缘层上溅射45nm厚Ti粘附层；利用匀胶机在Si片溅射好金属Ti的一侧旋涂光刻胶BP212，匀胶机转速为3000r/min，匀胶时间25s；涂好光刻胶后，将玻璃制掩模板覆盖在Si片上对好，在1000W光功率下曝光4s；采用正胶显影液进行显影；在显影后的Si片上涂有光刻胶一侧溅射250nm厚的金属Pt；采用剥离工艺，剥除光刻胶及其上面的金属Pt；利用HF∶HNO₃(摩尔比4∶1)混合酸溶液对Ti粘附层进行腐蚀，腐蚀深度为45nm，得到加工好电极的Si片；将Si片进行划片，即得到硅基共平面型微传感器芯片。

2、取切割后的传感器芯片，利用金丝球焊机，将Pt丝焊在各个电极的引脚上，备用；取0.5g的In₂O₃纳米纤维放入100ml去离子水中研磨均匀；将研磨好的浆料均匀涂在传感器芯片上，自然风干，敏感膜厚度30μm；将传感器放入马弗炉中600℃烧结3小时后取出；在70mA电流下老化12小时，即可制备好In₂O₃酒精传感器。

3、In₂O₃酒精传感器在75mW功耗下，表面温度达到120℃，此时传感器灵敏度达到峰值。在此温度下，500ppm乙醇气体中，In₂O₃酒精传感器响应和恢复时间分别为15s和5s。

Claims

1.一种硅基共平面微型气体传感器芯片，其由如下步骤制备：

(1)选用<100>晶向Si片(21)，减薄处理至厚度为300～600μm，然后将减薄处理后的Si片的一个侧面采用混合氧化法氧化处理得到300～450nm厚的SiO₂绝缘层(22)；

(2)在SiO₂绝缘层上溅射30～60nm厚的Ti粘附层(23)；

(3)在Ti粘附层上旋涂光刻胶，通过掩膜、紫外线曝光、显影后得到与需要制备的加热电极和信号电极结构互补的光刻胶图形(25)；

(4)在光刻胶图形上溅射200～300nm厚的Pt电极层(24)；

(5)剥离光刻胶及其上面的Pt电极层；

(6)进行酸法腐蚀，从而得到彼此绝缘的、包含Ti粘附层(23)和Pt电极层(24)的、具有管脚结构的蛇形加热电极和叉指状信号电极；其中加热电极由管脚(101)、管脚(103)和连接两管脚的蛇形电阻(103)组成，叉指状信号电极由管脚(11)和与其连接的叉指状电极(12)、管脚(13)和与其连接的叉指状电极(14)组成，两个叉指状信号电极(12、13)构成叉指状信号电极对；

(7)划片切割，即制备得到硅基共平面微型气体传感器芯片。

2.权利要求1所述的硅基共平面微型气体传感器芯片在制备微型气体传感器方面的应用。

3.如权利要求2所述的硅基共平面微型气体传感器芯片在制备微型气体传感器方面的应用，在是制备酒精传感器方面的应用。

4.如权利要求2所述的硅基共平面微型气体传感器芯片在制备微型气体传感器方面的应用，其制备过程包括如下步骤：

1)利用金丝球焊机将Pt丝焊在硅基共平面微型气体传感器芯片加热电极和信号电极的管脚上；

2)取敏感材料In₂O₃、SnO₂、ZrO₂、TiO₂或Fe₂O₃，加入去离子水研磨均匀后，涂敷在上面步骤获得的硅基共平面微型气体传感器芯片上，自然风干，敏感材料层厚10～100μm；

3)将上面步骤获得的硅基共平面微型气体传感器芯片放入马弗炉中高温烧结2～4小时后取出；

4)在上面步骤获得的硅基共平面微型气体传感器芯片的加热电极的管脚(101)和管脚(103)间加1～10V电压，信号电极通入20～100mA电流，老化12～24小时，即制备得到微型气体传感器。